팽창 밸브(증기 엔진)

Expansion valve (steam engine)
고압 실린더에 팽창 밸브(상부)가 있는 교차 복합 엔진

팽창 밸브는 엔진 효율을 향상시키는 증기 엔진 밸브 기어의 장치입니다.피스톤이 전체 스트로크를 통과하기 전에 증기 공급을 조기에 차단하여 작동합니다.이 차단을 통해 [1]증기가 실린더 내에서 팽창할 수 있습니다.이 팽창 [i]증기는 피스톤이 팽창함에 따라 압력이 감소하더라도 여전히 피스톤을 구동하기에 충분합니다.밸브가 열려 있는 짧은 시간 동안 공급되는 증기가 적기 때문에 팽창 밸브를 사용하면 증기 소비량이 감소하여 [2]필요한 연료가 감소합니다.엔진(1875년 수치)은 증기의 3분의 2에 대해서만 작업의 3분의 2를 전달할 수증기는 [2]3분의 1에 불과합니다.

피스톤 움직임에 따른 증기 압력을 나타내는 표시기 다이어그램

팽창 밸브는 증기 엔진 내의 보조 밸브입니다.비팽창 작동을 하는 증기 엔진과 단일 밸브의 움직임을 제어하여 팽창을 제공할 수 있는 이후 밸브 기어 사이의 중간 단계를 나타냅니다.

팽창 밸브는 정지된 엔진과 선박용 [1]엔진에 사용되었다.이들은 기관차에는 사용되지 않았지만, 이후 가변 팽창 밸브 기어를 사용함으로써 확장 작업이 이루어졌습니다.

다양한 확장 필요성

팽창된 증기의 압력은 보일러에서 직접 공급되는 증기의 압력보다 낮습니다.따라서 팽창 밸브를 조기 차단으로 설정한 상태에서 작동하는 엔진은 밸브가 완전히 개방된 경우에 비해 출력이 떨어진다.따라서 이제 엔진을 구동하여 엔진의 부하가 변화함에 따라 밸브가 수동으로 조정되도록 해야 합니다.경부하 상태에서 작동하는 엔진은 조기 차단으로 효율적으로 작동할 수 있으며, 고부하 상태에서 엔진은 더 긴 차단과 더 많은 증기 소비 비용이 필요할 수 있습니다.

트레비틱이 트레데가 [3]제철소에 1801엔진을[ii] 공급했을 때 엔진은 팽창 없이 작동했을 때 더 강력했고, 철공 사무엘 홈프레이는 석탄 비용[4] 절감에도 불구하고 여분의 동력 사용을 선호했다.

그리드 아이언 팽창 밸브

독립 그리드 아이언 밸브(기존 슬라이드 밸브 포함)
그리드 아이언 팽창 밸브를 구동하는 편심 가변 비율 링크

그리드 아이언[5] 밸브는 팽창 [1]밸브의 첫 번째 형태 중 하나였습니다.그리드 아이언 밸브는 겹치는 슬랫이 있는 두 개의 플레이트로 구성되어 있습니다.한쪽 플레이트는 다른 쪽 플레이트의 슬랫 또는 그 사이의 슬롯 중 하나를 겹쳐 열거나 닫히도록 이동할 수 있습니다.전체 면적의 절반까지 비교적 큰 개구부와 빠른 개구부의 장점이 있으며, 완전히 열린 상태에서 완전히 닫힌 상태로 변경하기 위해 한 개의 슬랫 폭만 이동하면 됩니다.특히 밀봉이 잘 되지 않는 것이 단점이다.그리드 아이언 밸브의 작동 거리가 짧기 때문에 편심기 등과 함께 사용할 경우 밸브 타이밍이 상대적으로 부정확할 수 있습니다.일부 대형 증기 엔진은 나중에 이를 일차[6] 밸브, LP 실린더의 배기[7] 밸브 또는 트립 또는 캠 밸브 [8][iii]기어와 함께 흡기 밸브로 사용했습니다.

그리드 아이언 밸브가 보조 밸브로 사용되는 경우, 일반적으로 밸브 챔버의 입구 측에 기본 슬라이드 밸브를 위한 밸브가 장착되어 있습니다.이들은 별도의 밸브 기어로 구동되며, 일반적으로 주 [1]편심기보다 먼저 별도의 편심 세트입니다.작동 시 추가 진각은 그리드 아이언 밸브를 움직여 메인 밸브 앞에 차단 기능을 적용합니다.편심 드라이브의 스트로크는 확장 기능을 변화시키기 위해 조정 가능한 링크에 의해 변화할 수 있습니다.이 값을 제로 스로우로 조정하면 팽창 밸브가 완전히 열린 상태로 유지되고 엔진은 [1]팽창 없이 작동합니다.보조 그리드 아이언 밸브의 사용은 초기 기술이었지만, 정지된 엔진의 역사를 통해 점점 더 정교한 밸브와 작동으로 서비스를 계속했습니다.맥인토시와 시모어 엔진은 캠으로 구동되는 토글 배열을 사용했는데, 캠이 간헐적으로 움직이며 개방 시 정지해 있어 정확한 타이밍과 각 밸브의 [9]움직임을 독립적으로 조정할 수 있습니다.

그리드 아이언 밸브는 또한 마이어 [7]밸브와 같은 방식으로 슬라이드 밸브 뒷면에 사용되었습니다.이것은 1869년 [10]글래스고의 존 턴불의 특허였다.

마이어 팽창 밸브

마이어 팽창 밸브가 장착된 김슨빔 엔진

팽창 밸브의 가장 잘 알려진 디자인은 1841년 10월 20일 특허를 출원한 프랑스 엔지니어 장 자크 마이어 (1804-1877)가 발명한 마이어입니다.비슷한 밸브는 제임스 [11]모리스에 의해 특허를 받았다.두 번째 슬라이드 밸브는 적응된 메인 슬라이드 밸브의 후면을 타고 추가 편심기에 의해 구동됩니다.마이어 밸브에서는 엔진이 작동하는 동안 핸드휠을 사용하여 팽창[iv] 밸브의 유효 길이를 변경할 수 있습니다.밸브에는 두 개의 헤드가 핸드휠 밸브 로드의 좌측 및 우측 나사산에 장착되어 휠을 회전하면 헤드가 함께 또는 서로 [12][13]떨어지도록 움직입니다.이 배열에서는 일반적으로 컷오프를 수동으로 제어합니다.자동 제어가 시도되었지만, 효과가 너무 느려서 효과가 없었습니다.

Snibston Discovery Museum과 Coleham Pumping Station에 전시된 엔진에는 마이어 확장 [14]밸브가 있습니다.

복합 엔진

복합 증기 엔진에도 팽창 밸브가 설치되었다.두 기술 모두 복잡성을 감수하더라도 효율성을 높이려는 시도입니다.

팽창 밸브는 HP(고압) 실린더에만 장착되는 것이 일반적이었다.다음 LP(저압) 실린더에 공급되는 증기는 이미 엔진에 공급되었으므로 이를 보존하는 데 거의 도움이 되지 않습니다.LP 실린더에 대한 증기 흡입구의 조기 차단은 선행 HP 실린더의 배기 가스 조절 및 해당 실린더의 효율 저하를 나타낼 수도 있습니다.

이후 정교한 밸브 기어를 갖춘 복합 밀 엔진은 복잡한 기어를 HP 실린더에 장착하는 경우가 많았으며 LP 실린더를 위한 더 단순한 기존 슬라이드 밸브를 유지했습니다.예를 들어 드롭 밸브 HP 흡기, Corliss HP 배기 및 마이어 팽창 [15]밸브가 있는 LP 슬라이드 밸브의 4가지 밸브 세트가 있습니다.

링크 밸브 기어

별도의 팽창 밸브 이후 발전함에 따라 밸브 기어가 더욱 정교해졌고, 단일 밸브로 흡입구 랩을 변화시킨다는 동일한 목표를 달성할 수 있었습니다.그 중 첫 번째는 링크 밸브 기어, 특히 Stephenson 링크 밸브 기어였습니다.이 방법에서는 기계적인 추가 디바이스로서 기능하는 슬라이딩 링크메커니즘이 있는 한 쌍의 에크트릭을 사용합니다.중간 위치를 선택하면 차단이 증가하는 효과가 있는 밸브 작동이 제공됩니다.이러한 밸브 기어가 제공되었고, 후진용으로 처음 개발되었기 때문에, 기관차에 널리 사용되었다.이론적으로 정확한 효과는 초기 차단이 아닌 밸브 이동 감소입니다.이는 전반적인 밸브 개방을 감소시키고 초기 증기 공급을 감소시키며 순수한 [16]팽창보다는 와이어 드로잉의 효과를 가져옵니다.그럼에도 불구하고 스티븐슨 기어는 기관차에 가장 널리 사용되는 두 개의 기어 중 하나가 되었다.

자동 거버너

'자동' 엔진과 고속 엔진은 증가된 속도로 작동했으며 다양한 부하에서 속도를 보다 정밀하게 제어해야 했습니다.이를 위해서는 팽창 밸브 기어에 가바나 결합이 필요했습니다.와트의 원심 거버너와 스로틀 밸브가 장착된 이전 엔진은 저출력으로 작동하면 비효율적으로 됩니다.

리처드슨[17] 주지사는 그의 고용주인 로비앤컴퍼니에 의해 생산된 고정식 엔진과 휴대용 엔진에 사용되었습니다.[18]이것은 원심 조속기에 의해 자동으로 제어되는 단순한 링크 밸브 기어입니다.진동 링크 내의 다이블록 위치를 스티븐슨이 수동으로 제어하는 대신 리처드슨 주지사는 엔진 속도에 따라 다이블록 위치를 조정합니다.보통 마이어 밸브와 유사하게 작동하며, 두 개의 밸브가 두 개의 에크트릭에 의해 구동되고 마이어의 수동 핸드휠 [19]대신 리처드슨 가바나(Richardson Governor)가 사용되었습니다.이를 통해 Stephenson의 밸브 이동 감소와 저출력으로 장시간 구동할 수 있는 정지 상태의 엔진 효율 향상이라는 배선 문제를 피할 수 있었습니다.

후속 밸브 유형

그러나 완전히 개발된 형태의 고속 엔진(1900년경부터)에서는 팽창이 별도의 팽창 밸브가 아닌 단일 밸브의 타이밍을[v] 조절하여 제어되었다.이로 인해 포핏 밸브와 같은 밸브 유형이 더욱 복잡해졌으며,[vi] 종종 링크보다는 캠 기반 밸브 기어로 구동됩니다.

과열 사용이 증가함에 따라 슬라이드 밸브는 높아진 작동 온도에서 윤활이 더 쉬워졌기 때문에 피스톤 밸브로 대체되었습니다.그들은 또한 1차 밸브의 후면에서 작동하는 마이어와 같은 2차 밸브를 사용하는 것을 비현실적으로 만들었습니다.아마도 보조 밸브를 확장 밸브로 사용한 마지막 새로운 디자인은 미드랜드 철도 파제 기관차로, 주철 회전 [20]밸브 주변의 확장 밸브로 청동 슬리브가 사용되었을 것입니다.이 설계는 두 밸브 [21]재료의 차동 열팽창에 대한 기계적 문제 때문에 성공하지 못했습니다.

각주

Wikimedia Commons에는 확장 밸브와 관련된 미디어가 있습니다.
  1. ^ 보일의 [2]법칙에 따르면 팽창에 따른 압력의 하락은 불가피하다.
  2. ^ 이 엔진은 증기를 의도적으로 팽창시키고 차단한 최초의 엔진 중 하나였다.그러나 이 차단은 고정되어 엔진 작동 중에는 변경할 수 없었습니다.
  3. ^ Ferranti의 고속 크로스 컴파운드 수직 발전 [8]엔진의 주요 특징은 매우 빠른 작동 그리드 아이언 밸브가 장착된 데스모드로믹 캠 구동 밸브 기어였습니다.
  4. ^ 이 길이는 포트 간격에 비례하여 밸브의 입구 랩을 제어합니다.
  5. ^ 이는 밸브의 스트로크가 아니라 제어된 타이밍이었기 때문에 Stephenson 링크의 스로틀링 단점 중 일부를 피했습니다.
  6. ^ 링크 및 반지름 밸브 기어는 제작이 간단하지만 성능 제한이 있습니다.임의 형태의 캠은 정확한 제조가 어렵고 마모에 따라 성능이 급격히 악화되었지만 이상적인 작동에 가까운 밸브 제어를 제공할 수 있습니다.기계 가공 기술, 야금 및 윤활 기술의 향상으로 캠이 점점 더 선호되었습니다.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e Evers, Henry (1875). Steam and the Steam Engine: Land and Marine. Glasgow: Williams Collins. pp. 78–81.
  2. ^ a b c Evers(1875), 페이지 51-53.
  3. ^ 힐즈 1989, 페이지 102
  4. ^ Trevithick, Francis (1872). Life of Richard Trevithick with an Account of his Inventions. Vol. II. p. 132.
  5. ^ Evers(1875), 페이지 73~74.
  6. ^ 사우스워스(1986), 페이지 26
  7. ^ a b 힐스 1989, 페이지 188
  8. ^ a b 힐스 1989, 226–227페이지
  9. ^ Hawkins, Nehemiah (1897). New Catechism of the Steam Engine. New York: Theo Audel. pp. 97–99.
  10. ^ GB 3207, 1869-11-05 발행
  11. ^ GB 9571, 제임스 모리스, 1842-12-22 발행
  12. ^ Southworth, P.J.M. (1986). Some Early Robey Steam Engines. P.J.M. Southworth. pp. 4, 21–22, 24. ISBN 0-9511856-0-8.
  13. ^ "The expansion slide valve and governors". Old Engine House. Archived from the original on 2012-02-04. Retrieved 2012-03-30.
  14. ^ Hills, Richard L. (1989). Power from Steam. Cambridge University Press. p. 174. ISBN 0-521-45834-X.
  15. ^ 1887년 사우스워스의 Robey & Co. 엔진(1986년), 페이지 21-22, 24
  16. ^ Evers (1875), 페이지 78
  17. ^ GB 14753, John Richardson, 1885년 발행
  18. ^ "The Richardson Governor". Old Engine House. Archived from the original on 2011-09-19. Retrieved 2012-03-30.
  19. ^ 사우스워스(1986), 페이지 20
  20. ^ Ahrons, E.L. (1966). The British Steam Railway Locomotive. Vol. I, to 1925. Ian Allan. p. 345.
  21. ^ Self, Douglas (8 February 2004). "The Paget Locomotive". Loco Loco gallery.